CN116992264A - 一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法及装置，其中方法包括：利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号，测试电源是对绝缘试样进行局部放电测试的高频方波电源；获取绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为局部放电起始电压时的局部放电信号，根据局部放电信号得到绝缘试样发生局部放电的特征频段，测试电压为测试电源的高频方波电压；对特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。本发明能避免高频方波电源对局部放电信号的干扰，得到高频方波电压下具有高信噪比的局部放电信号。
Description
技术领域
本发明涉及局部放电处理技术领域，尤其是一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法及装置。
背景技术
目前，电气设备绝缘介质多由固体复合绝缘材料构成，在生产、制造以及复杂运行工况下，制作工艺差异，老化、劣化等影响，造成绝缘内部不可避免的产生杂质、分解物、气泡等绝缘缺陷，进而导致电场下绝缘介质内部的电场畸变。高电场强度导致绝缘内部局部区域产生击穿，进而产生复杂的放电现象，这种现象被称为局部放电(Partial Discharge，PD)。
局部放电信号中存在较多的噪声，必须对检测到的局部放电信号进行去噪处理。相比工频交流电压下固体绝缘的局部放电信号特征，高频方波电压下的局部放电特征存在明显差异，如放电幅值波动范围大、放电次数高、放电相位集中等，现有的局部放电信号去噪方法在高频方波电压下存在精度较低，适用范围较窄的问题，得到的局部放电信号的信噪比较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法及装置，以解决现有局部放电信号去噪方法在高频方波电压下存在精度较低，适用范围较窄的技术问题。
本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：
一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法，包括：
利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号，所述测试电源是对绝缘试样进行局部放电测试的高频方波电源；
获取所述绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号，根据所述局部放电信号得到所述绝缘试样发生局部放电的特征频段，所述测试电压为所述测试电源的高频方波电压；
对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
可选地，所述利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号之前还包括：
获取所述绝缘试样未发生局部放电时的第一频谱信号和发生局部放电时的第二频谱信号；
对所述第一频谱信号和所述第二频谱信号进行对比分析，得到低频噪声出现的频段；
根据所述低频噪声出现的频段设置高通滤波器的截止频率。
可选地，所述获取所述绝缘试样的局部放电起始电压包括：
采用升压法分别测试预设数量的绝缘试样，得到各所述绝缘试样发生局部放电时的测试电压，将所述测试电压的平均值作为所述绝缘试样的局部放电起始电压。
可选地，所述采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号包括：
利用特高频天线传感器采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号。
可选地，所述根据所述局部放电信号得到所述绝缘试样发生局部放电的特征频段的步骤，包括：
对所述局部放电信号进行快速傅里叶变换，得到所述绝缘试样发生局部放电时的频谱信号；
根据所述频谱信号获取所述绝缘试样发生局部放电的特征频段。
可选地，所述对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量包括：
利用自适应噪声完备集合经验模态分解算法CEEMDAN对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解，得到多个模态分量。
可选地，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号的步骤，包括：
根据所述模态分量的相关系数将所述多个模态分量分为：第一模态分量，第二模态分量和第三模态分量；所述相关系数越高表示所述模态分量中所含噪声越少；所述第一模态分量的相关系数大于第一预设阈值，所述第二模态分量的相关系数大于第二预设阈值且小于所述第一预设阈值，所述第三模态分量的相关系数小于所述第二预设阈值；
利用小波分析对所述第二模态分量进行信号降噪，得到降噪后的第二模态分量；
舍弃所述第三模态分量，将所述第一模态分量和所述降噪后的第二模态分量进行信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
可选地，所述利用小波分析对所述第二模态分量进行信号降噪包括：
所述小波分析中使用的小波函数为Sym8函数。
可选地，将所述第一模态分量和所述降噪后的第二模态分量进行信号重构包括：
将所述第一模态分量和所述降噪后的第二模态分量进行信号叠加。
本发明还提供了一种高频方波电压下的局部放电信号处理装置，包括：
电源噪声滤除模块，用于利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号，所述测试电源是对绝缘试样进行局部放电测试的高频方波电源；
特征频段获取模块，用于获取所述绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号，根据所述局部放电信号得到所述绝缘试样发生局部放电的特征频段，所述测试电压为所述测试电源的高频方波电压；
信号降噪和重构模块，用于对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
本发明提供了一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法及装置，其中，方法包括：利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号，所述测试电源是对绝缘试样进行局部放电测试的高频方波电源；获取所述绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号，根据所述局部放电信号得到所述绝缘试样发生局部放电的特征频段，所述测试电压为所述测试电源的高频方波电压；对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
有鉴如此，本发明带来的有益效果是：
本发明充分考虑高频方波电压对局部放电信号的噪声干扰，通过预设截止频率的高通滤波器滤除高频方波电源本身的噪声，能避免高频方波电源对局部放电信号的干扰；获取绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为局部放电起始电压时的局部放电信号，根据局部放电信号得到绝缘试样发生局部放电的特征频段；然后对特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，从中选择部分模态分量进行信号降噪和信号重构，能提高局部放电信号去噪的精度，能够得到高频方波电压下具有高信噪比的局部放电信号，以便更准确地分析绝缘试样的健康状态和绝缘寿命；由于只选取部分模态分量进行处理，能够减少运算时间，同时能提高计算精度，能适用于采样频率高数据量大的情况，能够满足实际应用需求。
附图说明
图1为本发明方法实施例的流程示意图；
图2为本发明方法中未发生局部放电时超高频检测信号中的噪声信号示意图；
图3为本发明方法实施例中模态分解和小波降噪的过程示意图；
图4为本发明方法实施例中CEEMDAN算法分解出来的IMF分量示意图；
图5为本发明方法实施例中CEEMDAN算法计算得到的相关系数示意图；
图6为本发明方法某实施例中去噪前的局部放电信号示意图；
图7为本发明方法实施例中小波降噪后的结果示意图；
图8为本发明装置实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法及装置，以解决现有局部放电信号去噪方法在高频方波电压下存在精度较低，适用范围较窄的技术问题。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
根据IEC 60270标准，局部放电(PD)是两个存在间隙的导电电极之间的部分绝缘区域发生的放电。局部放电是指电气设备的绝缘介质出现绝缘缺陷，产生的一种局部性的放电现象，它能够反映电气设备的绝缘水平。电气设备发生局部放电的主要原因是制造工艺不佳、外力破坏和绝缘老化。电气设备运行时绝缘缺陷处会发生局部放电，若放电持续发生，会加剧电气设备的绝缘缺陷，缩短设备运行寿命，最终将危及电力系统的安全运行。因此，在电气设备的运行维护过程中，局部放电检测非常重要。
目前，电力设备与器件局部放电的检测方法有很多，例如检测阻抗、电流脉冲法、超声波检测法、光纤传感、特高频天线测量法等。上述测量方法中，虽然测量的原理、传感器类型与测量信号类型均不相同，但得到的信号均会存在较多的噪声干扰，噪声信号的存在会对局部放电信息，特别是局部放电幅值和频段特征量的准确计算造成影响，难以区分真正的放电信息。因此，必须对检测到的局部放电信号进行去噪处理，才能进一步准确分析局部放电信号，进而评估电气设备的绝缘状态。
相比工频交流电压下固体绝缘的局部放电信号特征，高频非正弦电压下的局部放电特征存在明显差异，如放电幅值波动范围大、放电次数高、放电相位集中等。近年来，随着大容量电力电子装备的发展与应用，电力设备与部件，如高压功率模块、电抗器、高频变压器等承受高频非正弦复杂电压。此电压频率高、上升沿陡、存在极性效应与多谐波分量，容易造成绝缘结构发生复杂多样的局部放电，进而威胁电力设备的安全稳定运行。因此，迫切需要研究高频非正弦电压下绝缘局部放电的测试与信号处理技术。
近年来，随着信号处理技术的发展，局部放电信号去噪方面的研究越来越多，如小波阈值去噪，经验模态分解法等。不同于传统工频交流和直流、脉冲下的局部放电信号，高频非正弦电压具有陡上升沿的脉冲电压，对检测局部放电信号的传感器产生较强干扰信号，测试电源本身的干扰信号大；另外，发生局部放电时，在相同频率仍会存在干扰噪声信号，这给高频非正弦电压下绝缘局部放电信号的检测和去噪带来了较大困难，尤其是在采样率较高，选取的数据点较多的情况下，现有的局部放电信号去噪方法的精度在高频非正弦电压下的精度较低，适用范围较窄。
发生局部放电时，会产生具有较宽频率范围的信号，因此有多种针对不同频率范围的局部放电检测技术。其中，局部放电检测特高频(UHF)检测法针对300MHz至～1500MHz的频率范围，其基本原理是通过特高频传感器对电力设备中局部放电时产生的超高频电磁波信号进行检测，从而获得局部放电的相关信息，实现局部放电监测。UHF检测技术具有高检测灵敏度，广泛用于气体绝缘开关设备(GIS)、变压器和环网柜(RMU)的局部放电在线监测系统中。根据现场设备情况的不同，可以采用内置式特高频传感器和外置式特高频传感器。
本发明实施例的应用场景为高频方波电压下的绝缘局部放电信号，局部放电测试的测试电源为高频方波电压，首先通过高通滤波器滤除测试电源本身的干扰噪声，然后再对检测到的高频方波电压下的局部放电信号进行信号去噪和信号重构，最终得到高信噪比的局部放电信号，以便进一步评估电气设备的绝缘状态。
第一方面，请参阅图1，本发明提供了为一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法的实施例，包括：
S100：利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号，所述测试电源是对绝缘试样进行局部放电测试的高频方波电源；
S200：获取所述绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号，根据所述局部放电信号得到所述绝缘试样发生局部放电的特征频段，所述测试电压为所述测试电源的高频方波电压；
S300：对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
不同于传统工频交流和直流、脉冲下的局部放电信号，高频非正弦电压即高频方波电压具有陡上升沿的脉冲电压，造成局部放电传感器上产生较强干扰信号，测试电源本身的干扰信号大。因此，利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号，测试电源是对绝缘试样进行局部放电测试的高频方波电源。
对绝缘试样进行局部放电测试时，首先搭建高频非正弦电压下的局部放电测试平台，局部放电模型可以选择表面放电模型或气隙放电模型，局部放电检测方法可以采用特高频(UHF)检测法，该方法具有检测灵敏、频段高、非接触、抗干扰、易于实现绝缘缺陷的类型识别等特点。
在一个实施例中，采用特高频检测仪器如特高频天线传感器来检测绝缘试样发生局部放电时产生的超高频电磁波信号，优选的，特高频天线传感器的工作温度为-40℃到+85℃，工作频率为300M-1.5GHZ。
需要说明的是，本发明实施例的局部放电模型也可以选择气隙放电模型，也可以进行气隙放电实验。
在其中一个实施例中，绝缘试样可以为固体环氧树脂制成的绝缘试样，；绝缘试样的大小可以为30mm的正方形，厚度可以为0.1mm。优选的，该绝缘试样由环氧材料、固化剂及促进剂制成，环氧材料、固化剂及促进剂之间的质量比为100:a:0.6，其中，a＝Ev×166×0.9，Ev表示环氧材料的环氧值。
需要说明的是，环氧树脂(Epoxy Resin，EP)常用作高频变压器的主绝缘材料，本实施例中的绝缘试样除了使用固体环氧树脂制成，也可以使用其他绝缘材料(含气体、液体和固体绝缘材料)制成，如绝缘漆、绝缘胶、绝缘纸、塑料、玻璃、绝缘油等。
需要说明的是，绝缘试样的大小是由测试电极尺寸决定的，测试电极是根据GB/T1048.1—2016《绝缘材料电气强度试验方法第1部分：工频下试验》标准和CIGRE Method II标准指定的。
在本发明的一个实施例中，利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号之前还包括设置高通滤波器的截止频率，具体为：
获取绝缘试样未发生局部放电时的第一频谱信号和发生局部放电时的第二频谱信号；对第一频谱信号和第二频谱信号进行对比分析，得到低频噪声出现的频段；根据低频噪声出现的频段设置高通滤波器的截止频率。
具体的，对绝缘试样施加小于局部放电起始电压PDIV的测试电压，此时绝缘试样未发生局部放电，获取绝缘试样未发生局部放电时的第一频谱信号；对绝缘试样施加大于等于局部放电起始电压PDIV的测试电压，此时绝缘试样会发生局部放电，获取绝缘试样发生局部放电时的第二频谱信号；通过对比第一频谱信号和第二频谱信号，可以分析噪声出现的频段，从而设置合适的截止频率。例如，请参阅图2，发现某绝缘试样的局部放电信号发生在400MHz以上的频段，400MHz以下的低频段存在一些干扰信号，因此，可以将截止频率设置成400MHz，通过截止频率为400MHz的高通滤波器滤除测试电源中的低频噪声信号。
由于高频方波电压具有陡上升沿的脉冲电压，会对检测局部放电信号的特高频天线传感器产生较强干扰信号，即测试电源本身的干扰信号大；因此，本实施例充分考虑在高频方波电压下局部放电信号的干扰噪声特点，在对绝缘试样的局部放电信号进行去噪之前，先选择预设截止频率的高通滤波器滤除高频方波电源本身的噪声。
在步骤S200中，获取绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为局部放电起始电压时的局部放电信号，根据局部放电信号得到绝缘试样发生局部放电的特征频段，测试电压为所述测试电源的高频方波电压。
根据标准GB/T 22720，局部放电起始电压PDIV为：当施加于试品上的电压从某一个观测不到局部放电的较低值逐渐增加至试验回路中初次探测到局部放电时的最低电压。
采用高频方波电压下的局部放电测试平台，测试电极为柱-板电极，测试温度为30°，在测试绝缘试样的局部放电起始电压PDIV时，方波电压频率可以选择1kHz、5kHz、10kHz、15kHz、20kHz，升压速率选择10kV/s。通过选择1kHz～20kHz内不同的方波电压频率，可以看出频率对局部放电的影响，进而说明高频的绝缘问题探究的必要性，以便进一步研究高频方波电压下的绝缘寿命模型。
在局部放电实验中，升压法是指在电压逐步升高的条件下，测量相应的电流和功率因数的方法。在升压法实验中，当电压逐步升高时，随着电场强度的增大，局部放电活动也逐步增强，这时可测得局部放电的视在放电量(局部芳放电量)。升压法适用于检测局部放电的起始和渐进过程，并提供更详细的信息，例如放电等级的评估等。
在本发明的一个实施例中，获取绝缘试样的局部放电起始电压包括：采用升压法分别测试预设数量的绝缘试样，得到各绝缘试样发生局部放电时的测试电压，将测试电压的平均值作为所述绝缘试样的局部放电起始电压。
具体的，测试温度为常温，采用连续升压法测试绝缘试样的局部放电起始电压PDIV，方波电压频率可以选择1kHz、5kHz、10kHz、15kHz、20kHz，升压速率选择10kV/s，局部放电信号阈值为20mV；每种方波电压频率下可以测试预设数量的绝缘试样，例如，可以在每种频率下对5个或10个绝缘试样进行局部放电测试，分别记录每个绝缘试样发生局部放电时的测试电压，将所有绝缘试样发生局部放电时的测试电压的平均值作为局部放电起始电压PDIV，并利用特高频天线传感器采集测试电压为局部放电起始电压PDIV时的局部放电信号(PD信号)。
可以理解的是，本实施例中的测试电源为高频方波电源，测试电压是测试电源的高频方波电压。
在一个实施例中，获取绝缘试样发生局部放电时的局部放电信号后，可以采用傅里叶变换FFT观察频域局部放电信号，对局部放电信号进行快速傅里叶变换，计算得到绝缘试样发生局部放电时的频谱信号，根据频谱信号获取绝缘试样发生局部放电的特征频段。例如，某绝缘试样的局部放电信号特征频段为400MHz～1.5GHz，另一绝缘试样的局部放电信号特征频段为500MHz～1GHz。对于此特征频段的局部放电信号，可以采用降噪算法对其中的噪声干扰进行降噪处理。
值得注意的是，特高频检测法采用特高频天线传感器检测绝缘试样的局部放电信号，由于特高频天线传感器的工作频率是有相应范围的，因此，检测到的局部放电信号的特征频率应在特高频天线传感器的工作频率范围之内。若特高频天线传感器的工作频率为300MHZ-1.5GHZ，则局部放电信号的最小特征频率不低于300MHZ，最大特征频率不超过1.5GHZ，例如，局部放电信号的特征频段为500MHz～1GHz，或400MHz～1.5GHz。
需要说明的是，当高通滤波器的截止频率为400MHz时，利用高通滤波器滤除的是400MHz频率以下的低频噪声信号；而局部放电发生的频段在400MHz～1.5GHz，对于此频段的噪声干扰没有被高通滤波器进行处理，因此，需要对处于特征频段的局部放电信号进行降噪处理。
可以理解的是，在信号处理中，特征频段中包含多个特征频率，特征频率是指一个信号所表现出来的固有频率。这种固有频率与信号来源、信号传输介质及其性质等因素有关。对于不同的绝缘试样，对应的特征频率也会不同。
利用测试电压对绝缘试样进行局部放电测试，测试电压可以为1.5～2倍的局部放电起始电压PDIV(Partial Discharge Inception Voltage)，分别在1kHz、5kHz、10kHz、15kHz、20kHz等方波电压频率下，对绝缘试样(如固体环氧树脂绝缘试样)进行局部放电测试，获取并保存局部放电信号与测试电压波形数据。
可以理解的是，根据局部放电信号与测试电压波形数据，可以得知绝缘试样发生局部放电时对应的测试电压，由于设置采样频率较高，得到的数据量较大，例如可以选取30万的数量。
在步骤S300中，对特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
在本实施例中，可以利用自适应噪声完备集合经验模态分解算法CEEMDAN对待处理信号(已经滤除低频噪声后的局部放电信号)进行信号分解，即利用CEEMDAN算法对特征频段的局部放电信号进行模态分解，得到多个模态分量。
具体的，首先将待处理信号添加K次均值为0的高斯白噪声，构造K次实验的待分解序列，对上述待分解序列进行EMD经验分解，分解得到第1个模态分量(IMF)并取其均值作为CEEMDAN分解得到的第1个IMF分量。剩余信号重复上述步骤，直到达到设定的迭代次数或者第n次分解的余量信号为单调信号时停止分解，得到信号分量即内涵模态分量IMF。
在本发明的一个实施例中，根据CEEMDAN计算的相关系数选取数个合适的IMF分量进行小波降噪处理，这些IMF分量既包含较多噪声又包含较高比例的布局放电信号。相关系数越高表示IMF分量中所含噪声越少，将相关系数较高的IMF分量保留，选择相关系数中等的IMF分量进行小波降噪处理，将相关系数较低的IMF分量进行舍弃。
请参阅图4和图5，图4所示为CEEMDAN分解出来的IMF分量图，信号分解后得到14个模态分量IMF，根据CEEMDAN计算得到的相关系数，对本次实验结果的相关系数进行分析，由于IMF1分量和IMF2分量的所含噪声较少，相关系数较高，因此，保留IMF1分量和IMF2分量；由于IMF3～IMF12分量含有较多噪声，但局部放电信号仍占据较大比例，相关系数处于中等(0.2～0.5)，因此采用降噪算法对IMF3～IMF12分量进行降噪处理；由于IMF13和IMF14分量几乎都是无规律的噪声信号，这两个IMF分量的相关系数接近零(小于0.2)，因此舍弃IMF13和IMF14分量。
需要说明的是，相关系数用来衡量处理后的IMF分量信号相关性，相关系数越大说明相关性越高，表示IMF模态分量中所含噪声越少；反之相关性越低，IMF模态分量中所含噪声越高。
在本实施例中，将小波降噪后的IMF分量(如降噪后的IMF3～IMF12分量)和保留的IMF分量(如IMF1和IMF2分量)进行信号重构(如信号叠加)，得到降噪后的固体环氧树脂绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
在一个实施例中，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号的步骤，包括：
根据模态分量的相关系数将多个模态分量分为：第一模态分量，第二模态分量和第三模态分量；相关系数越高表示模态分量中所含噪声越少；第一模态分量的相关系数大于第一预设阈值，第二模态分量的相关系数大于第二预设阈值且小于第一预设阈值，第三模态分量的相关系数小于第二预设阈值；
利用小波分析对第二模态分量进行信号降噪，得到降噪后的第二模态分量；
舍弃第三模态分量，将第一模态分量和降噪后的第二模态分量进行信号重构，得到绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
如图5所示的CEEMDAN计算得到的相关系数，共19个IMF分量，可以保留相关系数大于0.5(第一预设阈值)的IMF分量(共2个)，对相关系数在0.1～0.5之间的IMF分量进行降噪处理，将相关系数低于0.1(第二预设阈值)的IMF分量进行舍弃。当然，第一预设阈值、第二预设阈值可以根据实际情况中降噪后的信噪比进行调整。
具体的，利用小波分析对第二模态分量进行信号去噪时，选取小波阈值去噪的三个因素，小波降噪的小波函数可以选取sym8，可以通过蚁群算法选取小波阈值，小波分解层数可以根据计算结果进行合理选取。Sym8小波的支撑范围为15，消失矩为8，同时也具备较好的正则性。与db小波相比，具有更好的对称性，即一定程度上能够减少对信号进行分析和重构时的相位失真，通过把小波层数赋值1～N，找到信噪比较高且处理时间较短的小波分解层数。
需要说明的是，Symlet小波函数是IngridDaubechies提出的近似对称的小波函数，它是对db函数的一种改进。Symlet小波系通常表示为symN(N＝2,3,…,8)。
本发明实施例中，充分考虑绝缘试样在高频方波电压下局部放电信号的干扰噪声特点，首先将未达到PDIV的情况下检测到的频谱信号与局部放电信号的频谱信号进行对比，分析得到存在噪声的频段，根据噪声频段来设置高通滤波器的截止频率，在对局部放电信号进行去噪前，通过高性能高阶高通滤波器滤除高频方波电源本身的噪声；然后，再对高频部分的局部放电信号进行进一步的降噪处理，具体为：采用CEEMDAN分解方法对含噪声的局部放电信号进行分解得到多个IMF分量，对这些IMF分量采取不同的处理方式，可以减少运算时间，提高计算精度；保留噪声含量少的IMF分量，舍弃噪声含量高的IMF分量，通过小波降噪方法对噪声和局部放电信号均较多的IMF分量进行降噪得到去噪后的IMF分量，将保留的IMF分量和去噪后的IMF分量进行重构得到降噪后的局部放电信号，是具有高信噪比的局部放电特征信号。
本发明实施例在未发生局部放电信号时进行检测，滤除低频部分的噪声干扰；对于局部放电信号(高频部分)中的干扰采用CEEMDAN和小波降噪相结合的方法进行处理。对比传统的小波去噪方法，在数据量越大，局部放电频率越高的情况下，信号处理的信噪比越高，均方根误差(RMSE)越小，本发明实施例的处理效果越好。当数据为10万行时的误差率相差不大，但数据为20万行甚至更多时，本发明实施例比传统方法的误差率明显降低。
本发明实施例充分考虑在局部放电信号的干扰噪声特点，在进行去噪之前选择了高性能高阶高通滤波器先进行电源本征噪声的滤除；本发明充分考虑在EMD分解的模态混叠问题以及EEMD和CEEMD分解速度较慢的问题，进而采用了CEEMDAN的分解方法对含噪声的局部放电信号进行分解和重构；本发明充分考虑在对各个IMF分量的不同处理方式，保留仅含局部放电信号的第一模态分量，对同时包含噪声和局部放电信号的第二模态分量进行降噪处理得到降噪后的第二模态分量，舍弃只含噪声的第三模态分量，将降噪后的第二模态分量和第三模态分量进行信号重构，这样能够减少运算时间，提高计算精度。
本发明实施例提供的一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法，充分考虑高频方波电压对局部放电信号的噪声干扰，通过预设截止频率的高通滤波器滤除高频方波电源本身的噪声，能避免高频方波电源对局部放电信号的干扰；获取绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为局部放电起始电压时的局部放电信号，根据局部放电信号得到绝缘试样发生局部放电的特征频段；然后对特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，从中选择部分模态分量进行信号降噪和信号重构，能提高局部放电信号去噪的精度，能够得到高频方波电压下具有高信噪比的局部放电信号，以便更准确地分析绝缘试样的健康状态和绝缘寿命；由于只选取部分模态分量进行处理，能够减少运算时间，同时能提高计算精度，能适用于采样频率高数据量大的情况，能够满足实际应用需求。
请参阅图7，本发明提供了一种高频方波电压下的局部放电信号处理装置的实施例，包括：
电源噪声滤除模块11，用于利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号，所述测试电源是对绝缘试样进行局部放电测试的高频方波电源；
特征频段获取模块22，用于获取所述绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号，根据所述局部放电信号得到所述绝缘试样发生局部放电的特征频段，所述测试电压为所述测试电源的高频方波电压；
信号降噪和重构模块33，用于对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
本发明实施例提供的一种高频方波电压下的局部放电信号处理装置，充分考虑高频方波电压对局部放电信号的噪声干扰，通过预设截止频率的高通滤波器滤除高频方波电源本身的噪声，能避免高频方波电源对局部放电信号的干扰；获取绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为局部放电起始电压时的局部放电信号，根据局部放电信号得到绝缘试样发生局部放电的特征频段；然后对特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，从中选择部分模态分量进行信号降噪和信号重构，能提高局部放电信号去噪的精度，能够得到高频方波电压下具有高信噪比的局部放电信号，以便更准确地分析绝缘试样的健康状态和绝缘寿命；由于只选取部分模态分量进行处理，能够减少运算时间，同时能提高计算精度，能适用于采样频率高数据量大的情况，能够满足实际应用需求。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法，其特征在于，包括：
利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号，所述测试电源是对绝缘试样进行局部放电测试的高频方波电源；
获取所述绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号，根据所述局部放电信号得到所述绝缘试样发生局部放电的特征频段，所述测试电压为所述测试电源的高频方波电压；
对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
2.根据权利要求1所述的高频方波电压下的局部放电信号处理方法，其特征在于，所述利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号之前还包括：
获取所述绝缘试样未发生局部放电时的第一频谱信号和发生局部放电时的第二频谱信号；
对所述第一频谱信号和所述第二频谱信号进行对比分析，得到低频噪声出现的频段；
根据所述低频噪声出现的频段设置高通滤波器的截止频率。
3.根据权利要求1所述的高频方波电压下的局部放电信号处理方法，其特征在于，所述获取所述绝缘试样的局部放电起始电压包括：
采用升压法分别测试预设数量的绝缘试样，得到各所述绝缘试样发生局部放电时的测试电压，将所述测试电压的平均值作为所述绝缘试样的局部放电起始电压。
4.根据权利要求1所述的高频方波电压下的局部放电信号处理方法，其特征在于，所述采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号包括：
利用特高频天线传感器采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号。
5.根据权利要求1所述的高频方波电压下的局部放电信号处理方法，其特征在于，所述根据所述局部放电信号得到所述绝缘试样发生局部放电的特征频段的步骤，包括：
对所述局部放电信号进行快速傅里叶变换，得到所述绝缘试样发生局部放电时的频谱信号；
根据所述频谱信号获取所述绝缘试样发生局部放电的特征频段。
6.根据权利要求1所述的高频方波电压下的局部放电信号处理方法，其特征在于，所述对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量包括：
利用自适应噪声完备集合经验模态分解算法CEEMDAN对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解，得到多个模态分量。
7.根据权利要求1所述的高频方波电压下的局部放电信号处理方法，其特征在于，所述选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号的步骤，包括：
根据所述模态分量的相关系数将所述多个模态分量分为：第一模态分量，第二模态分量和第三模态分量；所述相关系数越高表示所述模态分量中所含噪声越少；所述第一模态分量的相关系数大于第一预设阈值，所述第二模态分量的相关系数大于第二预设阈值且小于所述第一预设阈值，所述第三模态分量的相关系数小于所述第二预设阈值；
利用小波分析对所述第二模态分量进行信号降噪，得到降噪后的第二模态分量；
舍弃所述第三模态分量，将所述第一模态分量和所述降噪后的第二模态分量进行信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
8.根据权利要求7所述的高频方波电压下的局部放电信号处理方法，其特征在于，所述利用小波分析对所述第二模态分量进行信号降噪包括：
所述小波分析中使用的小波函数为Sym8函数。
9.根据权利要求7所述的高频方波电压下的局部放电信号处理方法，其特征在于，将所述第一模态分量和所述降噪后的第二模态分量进行信号重构包括：
将所述第一模态分量和所述降噪后的第二模态分量进行信号叠加。
10.一种高频方波电压下的局部放电信号处理装置，其特征在于，包括：
电源噪声滤除模块，用于利用预设截止频率的高通滤波器滤除测试电源的低频噪声信号，所述测试电源是对绝缘试样进行局部放电测试的高频方波电源；
特征频段获取模块，用于获取所述绝缘试样的局部放电起始电压，采集测试电压为所述局部放电起始电压时的局部放电信号，根据所述局部放电信号得到所述绝缘试样发生局部放电的特征频段，所述测试电压为所述测试电源的高频方波电压；
信号降噪和重构模块，用于对所述特征频段的局部放电信号进行模态分解得到多个模态分量，选择满足预设条件的若干模态分量进行降噪处理和信号重构，得到所述绝缘试样在高频方波电压下的去噪后的局部放电信号。
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|---|---|---|---|
| CN202310976926.3A CN116992264A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种高频方波电压下的局部放电信号处理方法及装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117786466A (zh) * | 2024-02-23 | 2024-03-29 | 兰州交通大学 | 基于智能频谱感知的信号盲识别方法 |
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2023
- 2023-08-04 CN CN202310976926.3A patent/CN116992264A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN117786466A (zh) * | 2024-02-23 | 2024-03-29 | 兰州交通大学 | 基于智能频谱感知的信号盲识别方法 |
| CN117786466B (zh) * | 2024-02-23 | 2024-04-26 | 兰州交通大学 | 基于智能频谱感知的信号盲识别方法 |
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